Исследование горящего ламинарно-диффузионного газового факела Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 70 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1950 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЯЩЕГО ЛАМИНАРНО-ДИФФУЗИОННОГО ГАЗОВОГО ФАКЕЛА

Н. Н. НОРКИН I. Введение

Основными формами горения газов при постоянном давлении являются следующие три: 1) факельное ламинарно-диффузионное горение; 2) факельное турбулентно-диффузионное и 3) поверхностное каталитическое (беспламенное) горение.

Перзая форма горения может быть осуществлена при соблюдении условий: а) когда истечение газа и воздуха из горелки происходит параллельными или концентрическими слоями; предварительное смешение газа и воздуха в горелках не производится; смешение газового и воздушного потоков происходит в рабочем пространстве тепловой установки (в топке, печи) вследствие молекулярной диффузии компонентов raía и воздуха; б) скорости истечения газа и воздуха из горелки одинаковы, величина их .ограничивается пределами ламинарного режима. В результате такой организации процесса горения получается/наиболее длинный факел пламени с наиболее равномерным распределением температуры по длине его. При сжигании газа, содержащего значительные количества углеводородов, диффузионный факел обладает наибольшей светимостью и высокой степенью черноты излучения.

Вторая форма—факельное турбулентно-диффузионное, горение, являющееся наиболее распространенным в практике, характеризуется следующим: а) смешение газа и воздуха полностью или частично осуществляется, в горелке; б) скорости истечения газа и воздуха или горючей смеси достигают значительных величин и находятся в области турбулентного режима. В результате подобного рода организации процесса горения, скорость его зависит от условий смешения газа с воздухом и скоростей истечения.

Третья форма—поверхностное (беспламенное) горение характеризуется тем, что: а; газ и воздух перед поступлением их в горелку предварительна тщательно смешиваются до состояния однородной смеси; б) горючая смесь сжигается на поверхности горелки, имеющей высокую температуру и играющей роль каталитической поверхности.

Указанные три формы горения отличаются одна от другой степенью подготовленности горючей смеси и влиянием диффузионных и кинетических химических факторов на процесс горения. При факельном лами-нарно-диффузионном горении определяющими факторами являются диффузионные, при беспламенном каталитическом горении—кинетические хими-

веские факторы; при обычном пламенном турбулентном горении в большей или меньшей степени влияют и те и другие факторы.

Интерес к исследованию процессов диффузионного горения обусловлен практическими соображениями (возможность получения длинного с равномерной температурой факела пламени) и теоретическим значением, так как при чисто диффузионном горении для теоретического анализа могут быть использованы уравнения математической4-физики.

Диффузионное горение обычно осуществляется при помощи плоскощелевых или кольцевых горелок. В первом случае из параллельных щелей раздельными потоками вытекают чередующиеся по высоте струи воздуха и газа; во втором случае из труб, вставленных одна в другую, вытекают газ и воздух концентрическими слоями; обычно через внутреннюю трубку—газ, через внешнюю, облекающую—воздух.

Горение газа происходит на поверхности/ раздела воздушного и газового потоков, эта поверхность является фронтом пламени. К фронту пламени диффундируют горючий газ и кислород воздуха, а .образовавшиеся продукты горения диффундируют в окружающую среду. Диффузионное горение большей частью применяется для сжигания газов, содержащих значительные количества углеводородов. При сжигании таких газов методом диффузионного горения образуется светящееся пламя, вследствие выделения сажистого углерода, являющегося продуктом пироге-нетического разложения метана и других газообразных углеводородов.

Область практического применения диффузионного горения довольно обширна и многообразна.

Профессор И. И. Китайгородский [4] обращает внимание на особен-' ное значение диффузионного пламени углеводородных газов. Тепловая энергия, излучаемая светящимся пламенем, поглощается не только поверхностью материала (например, стеклом в ванных печах), но тепловые лучи и непосредственно проникают в жидкий материал.

Ряд практических достоинств диффузионного горения отмечает Хеп-€орн [19] в обзорной статье, приводя описание многих тепловых установок диффузионного горения.

В литературе опубликовано небольшое число экспериментально-теоретических исследований, посвященных преимущественно определению длины диффузионного факела, Одйой из первых попыток в этом отношении является опубликованная в 1934 г. работа Н. С. МахоТза [9], целью которой ставилась разработка теории простейшей газовой горелки. Затем в 1940 г. Н. С. Махов разработал приближенную теорию диффузионного пламени, основанную на аналогии уравнений диффузии и теплопередачи [10], взяв за основу решение Нуссельта-Гребера относительно среднего температурного напора в ламинарном потоке [18]. Н. С. Махов провел опыты по изучению диффузионного горения, исследовав в качестве горючего доменный газ. Опыты, в основном, подтвердили его приближённую теорию, хотя условия экспериментирования не отличались тщательностью.

В 1936 г. Г. П. Иванцов [2] предложил решение дифференциального уравнения диффузии применительно к истечению плоско-параллельных потоков, сформулировав соответствующим образом условия для фронта пламени; в дальнейшем нами использовано решение Г. П. Иванцова при исследовании плоско-параллельного факела и высказаны определённые суждения о преимуществах метода Г. П. Иванцова. Экспериментальных исследований, подтверждающих метод решения (насколько нам известно), Г. П. Ивйнцов не проводил.

Бурке и Шуман [17] опубликовали теоретико-экспериментальное исследование, посвященное вопросу о расчете длины и форме диффузионного факела. Сформулировав определённым образом начальные и граничные условия, они дали решение дифференциального уравнения диффузии,

позволяющее определять длину факела в зависимости от основных факторов, характеризующих явление диффузии, как-то: от коэффициента диффузии, скорости истечения, определяющих размеров воздушного и газового потоков. В опытах Бурке и Шумана применялись такие горючие смеси: метан-воздух, водород-воздух, окись углерода-воздух, метан-азот-воздух; сжигание их производилось при помощи плоско-параллельных и трубчатых горелок. Ими также исследовалось влияние предварительного подогрева газа и воздуха на длину диффузионного факела. Можно считать, что предложенное ими решение диффузионного факела нашло подтверждение в их опытах. К недостаткам теоретико-экспериментального исследования Бурке и Шумана следует отнести: а) сложность расчета; б) опыты проведены для смесей при низких коэффициентах избытка воздуха а = 0,4~0,6; в) выходные скорости потоков малые (0,15 м1сек) и не всегда одинаковые; г) анализ газов по длине факела не производился.

В. Ф. Копытов и В. К. Иванов, реферируя теоретико-экспериментальную работу Бурке и Шумана и используя их метод решения диффузионного факела, более отчетливо сформулировали зависимость формы диффузионного факела от коэффициента избытка воздуха. Затем в их работе приведено краткое описание опытной печи, построенной в печной лаборатории ЦНИИМАШ, оборудованной трубчатой диффузионной горелкой; печь отапливалась городским газом. Однако, Копытов и Иванов не сделали попытки к тому, чтобы теоретически определить длину диффузионного факела и сопоставить с практически наблюденной [6].

В разобранных вкше работах диффузионный факел пламени изучался непосредственно путем сжигания газа. Но так как в диффузионном горении решающее значение имеет степень перемешивания газа и воздуха по длине факела, то вполне уместным является применение метода моделирования. Этот метод применен в 1939~г. Д. Н. Ляховским [7].

Д. Н. Ляховский моделировал диффузионный процесс, выявляя степень перемешивания холодного и нагретого воздуха, вытекавших в виде плоско-параллельных потоков; критерием для суждения о степени перемешивания потоков служило измерение температуры. Д. Н. Ляховский не обрабатывал результатов своих исследований в плане решения уравнений диффузии, но результаты его исследований могут быть использованы для ориентировочного суждения о длине пути факела при той или иной степени перемешивания.

К этой же категории экспериментальных исследований следует отнести работы Д. Н. Ляховского и Сыркина [8], Ф. П. Казакевича и Н. Г1. Дюн-дина [3], М. А. Глинкова и Н. А. Калошина [1], П. И. Сычева [ 13] К. Рум-меля [21].

Методика экспериментирования, применявшаяся при такого рода исследованиях, обычно состояла в том, что производилось измерение скоростных и температурных полей потоков холодного и подогретого воздуха, вытекающих из насадков, оси которых параллельны.

При помощи подобного рода опытов определяется влияние на процесс перемешивания направления потоков, соотношения скоростей потоков, конфигурации факела и ^ д.

Опубликован также ряд экспериментальных работ, посвященных вопросу о перемешивании потоков в процессе горения, но характер обстановки опытов не преследовал цели изучения диффузионного горения и результаты исследований не обрабатывались в плане применения теории и уравнений диффузии.

Подобного рода исследования обычно проводились по следующей методике: в лабораторных газовых печах сжигается газ, подводимый отдельно от воздуха, измеряются скоростные, температурные и концентрационные поля в горящем факеле. В результате получается представление об ин-

тенсивности перемешивания газа и воздуха, о выгорании газа, о распределении температуры по длине факела.

Из наиболее обстоятельных работ в этой области следует отметить работы: Пистора [20], Руммеля [21], В. Н. Тимофеева и П. И. Сычева [14], Л. В, Подгурского [12] и др. Вопросы о взаимной связи различных форм горения и о влиянии аэродинамических факторов на организацию факела горения освещены в работе автора [11].

При наших исследованиях диффузионного горения мы ставили следующие цели: во-первых, выполнить более или менее всесторонне освещение вопроса о диффузионном горении, т- е. о длине диффузионного факела, распределении температуры по длине его и составе продуктов горения; к сожалению, по ряду причин явление теплопередачи диффузионного факела детальному исследованию не подвергалось, и этот вопрос лишь ориентировочно затронут; во-вторых, подвергнуть детальному разбору физико-математические теории диффузионного факела и сопоставить полученные экспериментальные данные с расчетными; это позволит каждому читателю составить ясное представление об условиях применения той или иной теории и о степени отклонения опытных данных от расчетно-теоретических; в-третьих, сделать попытку в выявлении степени влияния неодинаковых скоростей истечения газа и воздуха на чисто диффузионный процесс, так как совершенно очевидно, что практическое осуществление основного условия диффузионного процесса w = idem довольно затруднительно.

В связи с поставленными задачами исследование диффузионного горения выполнено при сжигании светильного и водяного газов с помощью плоско-щелевых и трубчатых горелок.

Работа выполнялась в лаборатории тепловой аппаратуры химико-технологического факультета Томского политехнического института. В работе принимали участие в разное время сотрудники кафедры; В, В. Сагова^ А. А. Стариков, Н. Д. Вылегжанин, Г. Д. Спецци, Т. Я. Ваганова.

!!• Уравнения процесса диффузии в плоскопараллельных и концентрических слоях

Нестационарный процесс диффузии математически может быть выражен уравнением, в котором концентрация диффундирующих веществ^ как функция, зависит от координаты времени и координат пространства*, взятых в качестве независимых переменных, т. е. c—f(т, х,у, z)— в декартовых координатах и е—f (х, г, ty, г)—в цилиндрических координатах. Для одномерного концентрационного поля c—f (т, л;) или

Из математической физики известно, что процесс распределения и выравнивания концентраций в нестационарном одномерном концентрационном поле описывается дифференциальным уравнением Фика в декартовых координатах

дс (1 >

дх дх2

и в цилиндрических координатах

дс _ gl д2с 1 дс

д-z . \ дг2 г дг

в этих уравнениях обозначены: с—концентрация компоненты горючего газа в любой точке поля; х —время диффузии; К—коэффициент диффузии; х — пространственная координата в направлении диффузии; г— радиальная координата.

Для нахождения вида функции с — } (т, х) или с= ( (т, г) необходимо, чтобы: а) функция удовлетворяла дифференциальному уравнению»., б) соответствовала заданным поверхностным условиям и в) при 1 — 0 давала бы требуемое начальное распределение концентраций.

Уравнение (1) применяется для исследования диффузии в плоскопараллельных слоях и уравнение (2) применяется для исследования диффузии в концентрических слоях.

Для исследования явления диффузии в плоско-параллельных слоях представим следующую схему истечения потоков. Через внутреннюю щель проходит газ и через две наружные щели—воздух. Выберем такую прямоугольную систему координат, чтобы плоскость уг проходила через середину газового слоя, тогда ось ох в каждой точке будет перпендикулярна к поверхностям газового и воздушного слоев. Сказанное изображено на рис- 1. ^ .

Математическая формулировка задачи:

В начальный момент времени при х~о распределение концентрации газа, выраженной через парциальные давления его, определяется функцией

(Рл) =/(*).

т —О,

Рис. 1. Схема истечения плоско-параллельных слоев

при а^>х^>о (РА) = 1>

т — О

и при

Пространственные условия

(Ра)'-дрл

др;

дх

)

- О о.

х~о

О и

0.

дх }х=8

Дифференциальное уравнение диффузии газа А будет иметь вид

дрл ___ Ка д2рА

дт

дх2

(Г)

Решение уравнения (1') должно удовлетворять дифференциальному уравнению и условиям на поверхности, Оно выполнено Г. П. Иванцо-вым [2] для вышеуказанных начальных и граничных условий:

' ' тс 42 Kz

1 V / х\ s

Ра = —— с0+ ^ сп cos I п тс — )е (3)

2 „в1 Is/

млн

(ЪкУ* K-z

/л ~ --- Co + ^ÍCOS^T: -j -f- C2COS I 2 —\e s 4-

(3 Л2*-

/ лг \

+ C3cos^3IC—j e -f............(4)

Это уравнение характеризует изменение парционального давления газа А в нестационарном концентрационном поле.

При т = 0 члены е expon =1 и тогда полученйый тригонометрический ряд представляет собою уравнение концентраций газа А в начальный момент, с предельными значениями рА — 1 при а>л;>0 и Ра~ 0 при s>x>a.

По правилам гармонического анализа вычисляются коэффициенты ¿-0,

2s а

Т * = ¿í Ax)dx = 272 =^Ir=f • (5>

0 o

25 a

=— 2 y cos ^ /итс—^¿¿л; =

o ' o

Sin ^ rtl~ ---Sin ^ TYVK —^ . (6)

С

m

s тъ Следовательно,

2

z . / тга \

7 sm (—•>

1 . / 2na

c2 — — sm - -

tí \ S

2 . / 3-a \ c3 = — sin —— и т. д. Зтг \ 5 /

После подстановки 'коэффициентов c0icvc2lc3...в характеристическое решение (4) получится уравнение изменения парциального давления газа А в процессе диффузии:

_ / TU 4 2 Кх

а,2./ а \ ( х \

Ра =--f----sin иг"—j cos ^ к —j e s -j- m

+ .L sin ) "1=9;2"+e

+ sin f^KjJ cos . . . . (7)

При х = 0 получится следующее уравнение изменения парциального давления во времени в середине газового слоя

Г \ а I 2 - ( а \ 1 • /о а

(Ра)л^о— ---1--sin гс —\е 52 --sin (2тг—

S К \s) TU \ S

+ sin ( * (8)

Если считать, что диффузионный факел имеет постоянную поступательную скорость движения wt то за время диффузии т путь, пройденный газовым потоком, или что то же самое, длина факела будет z —

z

Подставив значение t — — в уравнение (8), получим

w

_ /r.y.Kz

, N а 2 . / а \ v 2' ws2 . (рл)х^о = — Ч--sin ( те — \е - +

5 тг \ s)

, 1 . /0 а\ -¡--sin Í2ic — je -ь

/2 \2 #2 a \ "Vi*/

-f — sin (Зтг^-)е " + .. . (9)

3ic \ s}

Это уравнение для процесса диффузии в плоскопараллельных слоях было выведено, как уже указывалось ранее, Иванцовым [2]. Из уравнения можно вычислить длину диффузионного факела z по заданной степени завершенности диффузии, проверяемой путем газового анализа по длине факела.

Полагая т равным бесконечно большой величине, (рл)х=о в конечной точке факела

(Р-л)х=а = —. (10)

5

Но величина — для процесса диффузионного горения определенным об-s

разом связана с количеством воздуха, необходимого для сжигания газа» Установим соотношение между размерами воздушной и газовой щелей» исходя из следующих условий, характерных для диффузионного горения:

а) пусть скорости истечения газа и воздуха равны и находятся в пределах ламинарного режима, т. е.

Wtas ==z ^возд,

• /?£?мз<2320,

Я*аозД.<2320;

б) сжигание раза должно происходить при некотором избытке воздуха коэффициент избытка воздуха т.е. на м3 газа требуется воздуха

V воздух — а F0.

Тогда при поперечном сечении воздушной щели и газовой щели /\-лц,

7возя. 1

—=we-=Wc=---

или

/^в.ш. ; г.ш. /V

в.щ. ; * г.щ, г.щ.

но ^влц. = (25—2 а)Ь — 2(5 — а)Ь,

= 2 аЬ. 2(5 —

Следовательно, ---=а

2 аЬ

5—а

млн -= а Ко- (II)

а

Из уравнения (11) следует, что чем больше теоретически необходимое количество воздуха, а значит и чем выше теплотворная способность газа, тем больше отношение ширины воздушных щелей к газовой при сжигании газа с тем же коэффициентом избытка воздуха.

/1П 5—а Т7 а 1

Из уравнения (11) -= а к 0 следует, что — =---, поэтому

а 5 1 -\~aVo

Введем понятие о коффициенте степени завершения диффузии Е, определив его как отношение количества продиффундировавшего газа на данное время к предельно возможному количеству его, т. е.

Е= 1—(/7д)т

1— (РА)^по

Подставив значение (рА)х=0> получим

X £=5©о

Е= (¡2)

1 Г+а70

По этому уравнению, задаваясь величиной степени завершенности диффузии Е для определенных значений а и определяем (рл )т и по уравнению (9)—длину диффузионного факела г, соответствующую величине степени завершенности диффузии, или по наблюденной длине факела определяем степень завершенности диффузии.

В дальнейшем уравнения (9) и (11) использованы нами при математической обработке экспериментальных данных наблюдений длины диффузионного факела. Насколько нам известно, в литературе не имеется опытных данных, при помощи которых было бы проверено предложенное Г. П. Иванцовым решение уравнения диффузии применительно к горению газов.

Иной метод решения дифференциального уравнения диффузии предложен Бурке и Шуманом [17], в соответствии с иными начальными и граничными условиями.

Определяя фронт пламени как поверхность, на которой в результате горения концентрация горючего равна нулю, Бурке и Шуман сводят сложный вопрос взаимной диффузии газа в воздух и воздуха в газ к простому явлению—к диффузии одного лишь горючего газа.

Если оббзначить с—концентрацию горючего газа в любой точке факела, Сх — начальную концентрацию горючего газа, с2—начальную концентрацию кислорода в воздухе, /—число объёмов кислорода, потребного для горе-

» Л

ния одного объема газа,—---число объёмных долей кислорода, экви-

I

валентное одному объёму горючего газа, рассматриваемое как отрицательный горючий газ, тогда задача решения уравнения диффузии формулируется следующим образом: горючий газ с начальной концентрацией в исходной смеси с% диффундирует в кислород, взятый в эквивалентном количестве —

Сч

— ; начальные условия:

I

при х = 0 | с — си

и

i

при т — 0 1 _ С2

s > л; У>а J i

Решение, удовлетворяющее дифференциальному уравнению диффузии и начальным и граничным условиям для плоскопараллельных слоев, будет:

Л—со ¡(пЬг2

я с2 ,2 \\ \ . пъа _ пкх — г

с — с0

.2 \л I . пка тех — z /toV

Н--¿о >—Sin-cos- е ws ' (13)

тс Ád П S 5

с2

Здесь с0~с 1 + -—;—.

s i

л = 1

i

Во фронте пламени с= О, тогда

л--со КпЪР

к ( с2 а\ \л I . пка пъх -f.l?2~z

t— — \—----1 — \ —-sin-cos-е ws

2 \ ic0 s J Ád n s s

Характеристический параметр решения дифференциального уравнения диффузии Е может иметь нулевое, положительное и отрицательное значение:

Ci а при —-=- значение Е — О,

при # 2 >>-значение £*> 0,

ICQ S

с2 а

ÍCQ - - s

С* < - а

при -<- значение Е < 0.

Iс0 5

Выразим с2..... и —— через теоретически необходимое количество воз-

¿с0 э

духа и коэффициент избытка воздуха в условиях диффузионного горения.

, Пусть для сжигания 1 объема горючего требуется * объемов кислорода и соответственно — объемов воздуха, рассчитываемых по стехио-

Сг

метрическим уравнениям реакций горения. Если концентрация горючего си то для сжигания 1 объема газа теоретически необходимое количество воздуха составит

г/ *

сг

Действительное количество воздуха для горения равно

а Vл —а

с

Для соблюдения условий диффузионного горения согласно уравнению (11)

5 — а

а Ул.

а

Из сопоставления (11) и (15) следует, что

ь 5 — а а-с л =-

С2

а

илн

а

с*

сг -]- а 1СХ

(16)

Если а= 1, то

а

с2 + 1С г

Если а>1, то

Если а < 1, то

а

>

а

- <

гс,

¿2

1С0

1С о

и £ >0.

и £<0,

Итак, знак для Е зависит от коэффициента избытка воздуха, но это в конечном счете определяет форму диффузионного фа'кела. Если Е — 0, то вертикальная проекция факела будет иметь прямоугольную форму, если Е^>0, то проекция факела будет иметь приближенно форму равнобедренного треугольника высотою г с вершиной при х — 0, и если Ё< О, то проекция факела будет иметь приближенно форму трапеции с наибольшим верхним основанием на высоте х при х = е.

В дальнейшем уравнения (16), (14) использованы нами для вычисления теоретической длины диффузионного факела при обработке экспериментальных данных, полученных при исследовании диффу-зонного плоско-параллельного факела.

Для исследования концентрического диффузионного факела возьмем ураадение процесса диффузии, выраженное в цилиндрических координатах

дс

дх

— К

дЧ дг2

Ч"

1

дс

дг

Рис. 2. Схема истечения концентрических слоев

)

Схема истечения концентрических слоев изображена на рис. 2. Установим соотношение между размерами газовой и воздущной трубок, исходя из следующих условий:

а) пусть скорости истечения газа и воздуху равны и находятся в пределах ламинарного режима, т. е.

■ ^газ — Ювозд.,

Яе газ < 2320,

Яе возд. <2320; #

б) сжигание газа должно происходить при некотором избытке воздуха, коэффициент избытка воздуха 1, т.е. на 1 мь газа требуется воз духа

Уеозд. — %

тогда при поперечном сечении воздушной трубки и газовой труб-

ки

Фвозд. „м 1

* в. т. *г. т.

или

а V© 1 Рв.т. т/ V * --= —-, _ 1/0,

* в, т. * г. т. *г.т.

НО ' ' ~(1?2т~р2),

~ Я?2,

следовательно,

;—1. (17>

ТС р- о* о2

Из уравнения следует, что чем выше теплотворная способность газа, тем больше отношение .

Определяя фронт пламени как поверхность, на которой в результате горения концентрация горючего равна нулю, Бурке и Шуман формулируют начальные и граничные условия следующим образом:

лри т

Т=Р )

и \с — си Р>л>0 )

С2

I

дс

дг

0.

Если выразим время диффузии через длину и скорость диффузионного факела и предположим, что на всем протяжении факела скорость перемещения его остается постоянной

' г-ж-,

с1х — —-— йг, ■иг

4. Изв. ТПИ, т. 7), в. 1. 49

тогда дифференциальное уравнение диффузии примет вид:

= + (18)

бz <№ \ дгг г дг }

Характеристическое решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее начальным и граничным условиям, выведенное Бурке и Шуманом с помощью цилиндрических функций Бесселя, имеет вид:

+ 2 -1-. (19)

Ч2 / ^ & £ ^ [/0(адл2

л= 1

В этом уравнении

с —переменная концентрация горючего в любой точке (г, г) нестационарного концентрационного поля;

/

Съ

с0 — ---, т. е. сумма эквивалентных начальных концентраций горю-

I '

чего и кислорода воздуха;

/0 — функция Бесселя первого рода и нулевого порядка; и—функция Бесселя первого рода и первого порядка; —положительные корни трансцендентного уравнения, при значении п от 1 до бесконечности. Для поверхности фронта пламени, где <: — 0, уравнение (19) примет вид:

п ~ оо Д'н-л2^

V 1 1л(ы) 'о е - —= . ___1_ = Е (20)

л= 1

Характеристический параметр Е может иметь положительное, отрицательное и нулевое значение в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Чтобы убедиться в этом, выразим значение съ ^ с0 через теоретически необходимый для горения объем воздуха и коэффициент избытка воздуха. Пусть для сжигания 1 объема газа требуется I объема кислорода и

соответственно — объемов воздуха. Если концентрация горючего газа

Сг

си то для сжигания единицы объема газа потребуется теоретически необходимый объем воздуха

]Л = с{ .

¿2

Действительное количество воздуха составит:

т/ * а У9=а--си

но согласно уравнению (17)

т/ 1

р

Сопоставляя предыдущие равенства, получим:

I г №

а-сх —--]

Сг р2

В уравнении для Е (20) умножим числителя и знаменателя первого члена на Р, тогда:

Р Р

Подставим значение с0 = с1 + -

и после несложных преобразований

получим:

К («-!)

Го + 1

(21)

Из этого уравнения видно, что знак для Е определяется коэффициентом^, избытка воздуха; если а=1,*то £ = 0, т. е. при горении с теоретически необходимым количеством воздуха; если а > 1, то £>0 (положительное значение) при горении с избыточным количеством воздуха; если а<1, то Е<^ 0 (отрицательное значение) при горении с недостатком воздуха..

Путем частных решений можно убедиться, что если знак для Е будет минус, т. е. при горении с недостатком воздуха, то фронт факела, возникший у устья внутренней тазовой трубки на поверхности раздела газового и воздушного потоков, затем расширяется и заканчивается на радиальном расстоянии г — Я (кривая АВ на рис. 3); если знак для Е будет плюс, т. е. при горении с избытком воздуха, то фронт факела, возникший у устья внутренней газовой трубки на поверхности раздела газового и воздушного потоков, сужается и заканчивается на радиальном расстоянии г = 0 (кривая АС на рис. 3); если Е = 0, то фронт'факела будет иметь цилиндрическую форму (прямая АР на рис. 3.).

На рис, 3 изображена схема формы диффузионного факела в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Для построения кривых ось ординат ог направлена по оси газовой трубки, ось абсцисс, ог—по радиусу. На оси абсцисс отложе-

г

но относительное расстояние —г- от оси

Кривее ДВ и/КазФ браменЫ услобно.онц имеют более сложную Форму

Я

Рис. 3. Схема формы диффузионного факела в зависимости от коэффициента избытка воздуха

газовой трубки, на оси ординат—длина диффузионого факела (условно).

Кривые АВ и АС в действительности имеют более сложную форму, однако

Г

при 0 точка С имеет -=0 и при £<0 точка В имеет -=1.

/?

В каждом конкретном случае длина диффузионного факела расчетным путем определяется из уравнения (20), причем, если диффузионный факел расширяющийся к концу, т. е. при горении с недостатком воздуха (кривая АВ на рис. 3), то максимальная длина факела гтах определяется из г

условия — = 1; если диффузионный факел сужающийся к концу, т. е. при горении с избытком воздуха (кривая АС на рис. 3), то максимальная

длйна факела гтах определяется из условия — 0. При горении с 'Теоретически необходимым количеством воздуха, когда диффузионный факел имеет цилиндрическ/ю форму, длина факела определяется степенью завершения процесса диффузии.

В отличие от метода Бурке и Шумана для анализа трубчатого диффузионного факела Н. С. Махов [10] предложил приближенную теорию диффузионного факела, основанную на аналогии законов диффузии и конвективной теплопередачи в ламинарном потоке в условиях внутренней задачи. Для этой цели Н. С. Махов использовал решение НуссельтаГре-бера [18] для среднего температурного напора в любом сечении потока, ламинарно движущегося в трубе :

\ г 1 г \ г

—14,63 *~7 —88,7 —— -212,2

■ = 0,821 ё + 0,0987* +0,0135 * + •■• (22)-

В этом уравнении 00 — температурный напор в начальном сечении; & — средний температурный напор в данном сечении; ¿ — диаметр трубы;

■ л _ >г&с1 0 — расстояние рассматриваемой точки эт начального сечения; ре—-—

а

усредненный критерий подобия Пекле; 1Ю — средняя скорость потока в трубе; а — коэффициент температуропроводности.

При условии, что коэффициент температуропроводности а и коэффициент диффузии К равны между собою, температурное поле и поле концентрации описываются одним и тем же уравнением, в соответствии с чем уравнение для изменения средней концентрации с горючих составляющих газа по длине диффузионного факела принимает вид

¿0

1 г I 2 1 г

~14'63 "Те * ~7 -88'7 Уё ■ Т -212'2 'д * Т

-0,821 е + 0,0987 е +0,0135* +... (23)

В этом уравнении с0 — начальное содержание1 горючих составляющих газа, выраженное в объемных процентах; ¿ — диаметр внутренней (газовой) трубки; Ре = —усредненный критерий Пекле для процесса диф-

К -

фузии.

Для приближенных расчетов Н. С. Махов отбрасывает второй, третий и последующие члены ряда в уравнении (23) и вместо 0,821 коэффициент у первого члена ряда принят равным 1, вследствие чего уравнение (23) принимает вид

откуда

или

2 = 0,1574 Реа\ё

(24)

с

' * «0,1574^1«(25) К с

Концентрации горючего с0 и с можно выразить через концентрацию кислорода.

Если обозначить ¿—число объемов кислорода О теоретически необходимого для полного сжигания одного объема горючих частей' газа, а—коэффициент избытка воздуха и У0—теоретически необходимое количество воздуха, то можно написать

откуда

и Си -Со

аГрОо г

О*

Ск

■о. 7о

Оо.

О*

(26)

Подставив значение — ~ в уравнение (25) для конечного состояния диф-

Ск

<фузионного факела (с = сь), получим;

<ГЮ(12 Оо

г = 0,1574-—^— (а 7в

(27)

Если фронт пламени имеет цилиндрическую форму (при а= 1), то величина с1 имеет постоянное значение по длине факела, равное диаметру газовой трубки. Если фронт пламени имеет расширяющуюся или сужающуюся форму (при то й приобретает переменное значение по длине факела. В этих случаях (по Н. С. Махову) переменное значение й определяется как среднее квадратичное из начального й равного диаметру газовой трубки и конечного ¿4

,2 _ 4- (¿1 -¡- ¿¿¿4 ,

ат- - —з

Величина йи может быть найдена из следующих положений: для цилиндрического диффузионого факела при ниг—НУв

Я2

- 1 ,

для расширяющегося или сужающегося факела

Я2

«70

-1 ;

Г'

отсюда йк — 2рк — 2 р/? 1 /

¿¿2 + 4 р2#

■или (1п

«ли

.где

С1т-1

1

V «(Л8-

Р2) + Р2

(Р

1 +

1

й2

т

т[1+*

в(/?2 —р2) + ра

1

а(/?2_р2)_|_р2

1

[/ в(Д2_р2)_4_р2

)+У

а(/?2 _ Р2) р2 !

(28) 53

Итак, уравнение (27) для определения длины диффузионного факела принимает*вид

2г-=0Д574р«^11В( «ГД] . (29)

К \ Ои I

Это уравнение в дальнейшем использовано нами для определения длины трубчатого диффузионного факела. Необходимо иметь в виду, что для определения х произвольно (или в соответствии с опытными данными) задается конечное содержание непродиффундировавшего кислорода.

III. Опытное исследование концентрического диффузионного факела

Опытное исследование концентрического диффузионного факела производилось с помощью трехкольцевой цилиндрической горелки. Чертеж горелки представлен на рис. 4.

Для сжигания применялся светильный газ, полученный на газовом заводе института. Состав газа по данным химического анализа:СОа — 7,4%,

02 — 5,9%, С2Н4- 1,4%, СО— 14,0%^ Н2— 37 %, СН4 - 27,5%, Ы2 — 6,8%. Теплотворная способность газа <3рн — ккал

= 3900 ---„— . Содержание горю-

Л9

№

М'

чих в газе 0,799

М'

XV

теоретиче-

цг

к 11?

Рис. 4. Трехкольцевая цилиндрическая горелка

ски необходимое для сжигания ко-

м^

личество кислорода 0,788--, тео-

мъ

ретически необходимое количество*

о ТЛ м3

воздуха о,76 — .

м3

Для определения основных размеров горелки (диаметра и длины цилиндрической части) были приняты условия: 1) чтобы коэффициент избытка воздуха равнялся а =1,3 и 2) чтобы длина цилиндрической части горелки, считая от места ввода газа воздуха, составляла около 20 диаметров. В соответствии с этими условиями было рассчитано:

а) внешний радиус кольцевого пространства для воздуха при ра-

диусе внутренней газовой трубки р = 4,5 мм по уравнению (17)

а 7.=

№

1,

Д = р V аГо+1 — 4,5 У 1,3 Д76+1 =11 мм.

Толщина стенки внутренней газовой трубки 0,5 мм. Поперечное сечение внутренней газовой трубки

✓/2

— = 0,785 (0,009)2 = 10"

поперечное сечение воздушного кольца тс

4

£>2 —(¿4- 0,0005)2

б) длина цилиндрической части горелки выше ввода газа и воздуха

Н = 20 О = 20.22 = 440 мм.

Светильный газ подавался через внутреннюю трубку диаметром 9 мм; воздух, необходимый для горения, подавался через первое кольцевое пространство диаметром от 10 до 22 мм, затем через второе кольцевое пространство диаметром от 23 до 27 мм также подавался воздух со скоростью такой же, как и в первое кольцевое пространство, для того чтобы изолировать факел пламени от влияния неподвижной внешней среды; третье кольцо в данной серии опытов не использовалось. Во избежание искривления оси факела под влиянием подъёмной силы г^орелка располагалась вертикально. Расход газа и воздуха измерялся при помощи нормальных диафрагм и дифференциальных манометров. Целью исследования являлось определение длины факела пламени при различных скоростях истечения в пределах ламинарного режима и сопоставление опытных данных с теоретическими расчетами.

Опыты производились при следующих скоростях истечения газа и воздуха: 0,15 м\сек, 0,2 м\сек9 0,25м/сек и 0,3 м/сек. Измерялся видимый факел пламени. Результаты измерений представлены в табл. 1.

Таблица 1 ,

Результаты наблюдений длины диффузионного факела кольцевой горелки

я Наименование Размерность Опыты

п.п. величин 1 2 3 4

Расход газа

Расход воздуха . . .

Скорость истечения газа и воздуха . . . ,

Коэффициент избытка воздуха .......

Число Рейнольдеа . ,

Длина диффузионного факела по наблюдениям ..........

м3 0,0690

0,0345 0,0460 0,0576

час

V М3 0,1695 0,2260 0,2826 0,3390 '

час

м

0,15 0,20 0,25 0,30

сек

_ 1,3 .1,3 1,3 1,3

газ 67,8 90 113 135

воздух 120 161 201 241

см 10,5 12,4 15,2 16,8 1

Расчет дли|ш факела по уравнениям диффузии

(метод Бурке и Шумана) 1. Характеристический параметр решения дифференциального уравне-

ния.

По уравнению (21)

здесь

Е —

-2

Ко.

К -1-1 '

По уравнению

здесь

Р === 0,45 см,

—3,76 мУм*, а = 1,3,

2 3,76+-.1.- !

£_ ' ...... Р.

2 р г с0 2

/? — 1,1 СЛ*,

р =0,45 сж, с2 =0,21,

+ Со — ■

' ' I

€х (концентрация горючих в газе) — 0,799,

г —число объёмов кислорода на 1 объём горючих в газе рассчитывается следующим образом: составные горючие газы пересчитывают! на горю-

Н

чую массу, т. е. например (Н2)г =——, где Б — балласт в газе.

1 — Б

37

Таким образом, состав горючей массы следующий: (Н2)*=-— ^ 201 = — 46,4%, (СО)2—17,5%, (СН4)г —34,5% и (СаН4)г= 1,6%.

Затем по стехиометрическим уравнениям горения определяется количество кислорода потребного для сжигания Vобъёма горючей массы за-вычетом имеющегося в газе кислорода; в нашем случае

/ = 1,057 — 0,059 = 0,998,

с0 = с, 4--2- = 0,799 4- —(= 1,01, * П 0,998

тогда

П 1У>021 0,45

Р________I__— 4-0 0^

п ~~ 2.0,45.0,998.1,01 . 2

I

Положительноё значение Е показывает, что форма диффузионного факела должна быть конически сужающейся,

55

2. Расчет числа Re

wdp mdy

Re=

Для газа: ^ = (0,15 — 0,20 — 0,25 — 0,30) м\сек; р по правилу аддитивности

кг!сек2 . .

для смеси —0,0753——:—, «< по правилу аддитивности для смеси =

. м <.

0,01396 сантипуаъ,

7 = 0,7 кг1мьу d^ 0,009 м.

Для воздуха; —— }— те же значения, что и для газа; \ сек J

Р =0,132 кг сек2\мА\ [х —0,0183 сантипуаз;

I у — 1,226 АГ2/Ж3;

=4 ~ = 4 — (D2 — '\ ^— = о,013 л*. ' /7* 4 \ /2г(/? + г)

3. Коэффициент диффузии.

Расчет сделан по обратной формуле смешения

k \kx k2

где п2 . .. объёмное содержание составных частей газа в

- kt, k2 . .. коэффициенты диффузии составляющих газов по системе газ-воздух.

Из справочника технической энциклопедии том VII, стр. 247 для Н2 — воздух — 0,611 см21сек;

СО — кислород—0,185 „ принимаем и для системы СО — воздух;

С2Н4 — воздух — 0,101 смг\сек, 02 — воздух — 0,178 „ N2 —воздух — 0,171 С02 —воздух —0,139 „ СН4 — воздух —0,476 по [17].

Следовательно,

! ii4_ 5,9 ' 6,8 ' 7,4 27^5

ь

+ :гг£т -г + гтггЧ - + т^г 0,01 - 3,3,

0,611 0,185 0,101 ! 0,178 0,171 0,139 0

£ = 0,3

,476/

сек

4. Определение корней уравнения 1г (х) = 0 = /1 (¡¿Т?) и функций Бесселя первого рода нулевого и первого порядка.

Из XXIV таблицы специальных функций [16] для корня № 1 значение его 3,8317 и /0(.х¡) = — 0,4028, № 2 „ „ 7,0156 и /0(*2) = +0,3001, № 3 , я 10,1735 и /0 Ск3) = — 0,2497.

Так как х = [а/?х, то для /?=1,1 см получим (а1==3,48; [а2 = 6,37 и =9,25; для р = 0,45 см; 1ЧР=1>57; ^ = 2,88; = 4,15. Из табл. 1 специальных функций [16] величины А р) =-Ь0,56674„ /,({1,р) = -}-0,38246, ¡1 (}А3р) = — 0,12121. Так как форма факела является суживающейся, то следует принять в уравнение (19) г— 0 и тогда /в(|лг)=1, т. е. расчет длины сужающегося факела следует выполнить по уравнению

к \упг

. (30) 2 Р ¿г0 2 ¿лу-п /0

Л=1

Уместно отметить, что при решении этого уравнения можно ограничиться подстановкой значений лишь первых т^ех корней вследствие резкого возрастания отрицательного показателя степени.

5. Длина диффузионного факела в зависимости от скорости иотока газа 1

1С см

для = 15->

сек

1 0,56674 , 1 0^38246

3,48 '(—0,4028)2' 6,37 ' (0,3)2

(9 ?5У

1 - 0,12121 -О'ЗЧз-.

'9,25 (—0,2497)2 или 0,055 = 0,998 е °'224 * + 0,67 е~°.815 г> + 0,207 е~1>7 . Отсюда'гх = Ц,8 см, для щ = 20 см/'сек,

гг = 15,6 см, для ж>з = 25 см/сек, У 2Г3 = 19,6 см,

для — 30 см/сек, \ г4 — 23,6 см.

При расчете диффузионного концентрического факела по методу Н. С. Ма-хова необходимо предварительно задать содержание кислорода в конце диффузионного факела, отнеся его к первоначально взятому воздуху. При горении с избытком воздуха следует считать, что остается по крайней мере такое количество кислорода, не вступившего в соединение с горючими газа, которое соответствует коэффициенту избытка воздуха. Тогда для расчета длины диффузионного факела величины, входящие в уравнение (29), будут следующие:

■т =15 см ¡сек — 20 см/сек—-25 см ¡сек и 30 см ¡сек,

й = 0,9 см,

58 4

«

к = 0,3 см2/сек, а = 1,3,

0# = 21%, Оц ==4,89%, # =1,1 см, р =0,45 см.

Подставив эти величины в уравнение (29), получим для скорости 15 см\сек длину диффузионного факела

= 0,1574.0,91б (1,3.3,76 ,

0,3 \ 4,89 /

Хх = 8,45 слс,

для скорости яь — 20 см\сек ^2=11,3 см,

для скорости да3 = 25 см\сек 23 = 14,1 см,

для Скорости = 30 см/сек — 16,9 ел/.

Для большей наглядности в табл. 2 приведены сравнительные данные по результатам наблюдений и расчетов длины диффузионного факела.

Таблица 2

Сравнительные данные о длине концентрического диффузионного факела

№ п.п. Скорость истечения газа и воздуха

Наименование величин 15 20 25 30

€М\С€К см ¡сек см/'сек см/сек

1 Длина факела по наблюдению 10,5 12,4 15,2 16,8

2 Длина факела по расчету методом Бурке и Шумана г_жтш. 11,8 15,6 19,6 23,5

3 гн 1 0,89 0,89 0,77 0,72

гБШ

4 Длина факела по расчету методом Махова гм......... 8,45 11,3 14,1 1*,9

5 2н Отношение . ....... гм 1,24 1,10 1,08 0/995

По мере увеличения скорости истечения увеличивается расхождение между наблюденной и рассчитанной по методу Бурке и Шумана длинами диффузионного факела, причем наблюденная длина всегда меньше рассчитанной, и наоборот, по мере увеличения скорости истечения уменьшается расхождение между наблюденной и рассчитанной по методу -Н*-С. Махова длинами диффузионного факела. Расхождение рассчитанных по методу Н. С. Махова и наблюденных длин диффузионого факела зна* чительно меньше, чем рассчитанных по методу Бурке и Шумана.гСледует также отметить, что для практического пользования расчетные уравнения ?по методу Н. С. Махова являются значительно более простыми, и в этом заключается преимущество метода.

IV. Опытное исследование плоско-параллельного диффузионного факела

А. Длина диффузионного факела по наблюдениям

Опытное исследование плоско-параллельного диффузионного факела производилось двумя способами: во-первых, при истечении газового ц воздушного потоков в атмосферу и, во вторых,- при истечении газового и воздушного потоков в экранированную топочную камеру.

Ддя-исследования диффузионного факела в атмосферных условиях бы-ли изготовлены три горелки: трех-и семищелевая газовые горелки ЗЩГ;

Рис. 5. Чертежи испытанных горелок

7ЩГ—для сжигания светильного газа и трехщелевая малых размеров для сжигания водяного газа. Чертежи горелок изображены на рис. 5.

Для сжигания применялся светильный газ того же состава, что и при исследовании концентрического диффузионного факела, и водяной газ состава; С02—4,8%, 02—0,4%, СО—29%, Н2-52,2%, СН4-6,2%, 7,3%* Размеры трехщелевой горелки для сжигания светильного газа следуло-

щие: ширина внутренней газовой щели 2 мм, ширина каждой наружной щели 5 мм; общая ширина потока воздуха и газа 5+2+5 = 12 мм. Длина щелей 60 мм. Поперечное сечение газовой щели 0,0020.0,06 = 0.00012 м\ поперечное сечение воздушных щелей 2.0,005 0,06 = 0,0006 ж2.

При равенстве скоростей истечения газа и воздуха соотношение между количеством их (коэффициент избытка воздуха) определится из уравнения (11)

а т/

— — а Кг

а

2 5= 12 мм,

О О 25—2а . 12—2 , ао

2 а = 2 мм, а — ——— = —— = 1,33 .

2а Vо 2.3,76

—3,76 м?\мъ.

Горелка разъёмная собирается из отдельных трех элементов, образующих щели. Это сделано с той целью, чтобы в дальнейшем можно было исследовать влияние наклона воздушных потоков к газовому на длину диффузионного факела. Металлические стенки, образующие щели, перед выходом газа и воздуха были сточены до 0У1 мм.

Семищелевая горелка для сжигания светильного газа имела размеры? внутренняя газовая щель шириной 2 мм, затем 2 щели, облекающие внутреннюю, размерами по толщине 10 мм каждая, затем 2 щели газовые Шириной по 2,2 мм каждая и наконец 2 наружные воздушные щели шириной по 5 мм каждая. Общая ширина воздушно-газового потока 5+2,0+ 4-10 + 2,0+10 + 5 = 34 мм. Длина шелей 60 мм. Поперечное сечение газовых щелей 3.0,002.06 = 0,00036 м2, поперечное сечение воздушных щелей

2.0,01.0,06 + 2.0,005.0,06 = 0,0018 мК

■ При равенстве скоростей истечения газа и воздуха соотношение между количествами их определится из уравнения

ГГ Рвщ. а Кп =

Рг. щ.

=0,0018 м,2

Рг.щ, = 0,00036 м* а = —-= 1,33.

3,76.0,00036

70 = 3,76 Д£3/ж3 ♦

Такое же соотношение будет между воздухом и газом, если рассматривать не всю горелку, а ее отдельные элементы., Семищелевая горелка тйкже разъёмная. Исследования этой горелки были выполнены с той целью, чтобы проследить влияние соседние облекающих факелов на центральный факел. При исследовании факела, при истечении в атмосферу горелки располагались вертикально, во избежание искривления оси факела под влиянием подъемной силы. Расход га-ча и воздуха измерялся при помощи нормальных диафрагм и дифференциальных манометров. Опыты производились при скоростях истечения газа и воздуха 0,9 м\сек-* 1,5 м\сек— 2 м\сек. Измерялся видимый факел пламени. Результаты измерений представлены в табл. 3, фотоснимок опытной установки на рис. 6.

Рис. Б

Фотоснимок опытной установки диффузионного горения

Таблица 3

Результаты наблюдений длины плоского диффузионного факела светильного газа

Опыты у

н о о Трехщелевая горелка Семищелевая горехка

с Наименование величин и Он Скорость истечения газа и воздуха Скорость истечения газа и воздуха

с « п с« . О, 90 см сек 150 см сек 200 СМ сек 90 см сек 150^ сек 200 СМ сек

1 Расход газа ..... 0,389 0,650 0,865 1,17 1,94 2,59

час

9 Расход воздуха .... Коэффициент избытка воздуха ...... мз 1,92 1,33 3,25 1,33 4.32 1.33 5,83 1,33 9,73 1,33 12,96 1,33

3 час

4 Число 1 газ 174 290 388 174 290 388

Рейнольдса ] возд. 555 925 1230 1025 1710 2280

5 Приведенный ( газ ж см 0,00387 0,00387 0,00387 0,00387 0.00387 0,00387

6 диаметр } возд. Длина диффузионного факела по наблюдениям 0,0092 17,5 0,0092 31 0,0092 44 0,0092 и 0,017 19 0,0082 и 0,017 33 0,0092 0,017 46

Примечанйе: йпр. — 0,0092 для наружных воздушных щелей размерами 5X60, Апр. = 0,017 для внутренних воздушных щелей размерами 10X60.

Трехщелевая горелка для сжигания водяного газа имела следующие размеры: внутренняя газовая щель шириной 1 мм, ширина каждой наружной, щели 1,1 мм; общая ширина потоков газа и воздуха 1,1—1—1 —|—1,1 = ==3,2 мы. Длина щелей 19,5 мм. Поперечное сечение газовой щели 0,0000195 м2; поперечное селение воздушных щелей 0,0000 429л*2. При равенстве скоростей истечения газа и воздуха соотношение между количег етвами их (коэффициент избытка воздуха) определяется из уравнения (11)

а

2 5 = 3,2 мм, 2 а — 1 мм а = 0,88 У9 = 2,5 м*!мК

Расход газа и воздуха измерялся при помощи газометров емкостью'"но 15 литров каждый; истечение газа и воздуха из газометров происходило при постоянном напоре воды: при повышении уровня воды в нижней части газометра на такую же высоту поднимался уровень воды в верхней части газометра. Приток воды регулировался с помощью поплавка, помещенного в верхнюю часть газометра, поплавок снабжен сгрелками-указа-телями уровней воды в нижней и верхней частях газометра. Расстояние между уровнями воды вверху и внизу поддерживалось постоянным, равным 1015 мм, В зависимости от скорости истечения экспозиция наблюдений длилась от 40 до 350 секунд. Равномерность истечения за все время экспозиции обеспечивалась предварительной настройкой вентилей на.воз-

духо-газопробхтде по специальной шкале. Результаты измерений представлены в табл. 4. Объемы газа и воздуха в таблице приведены к атмосферному давлению в условиях изотермического расширения.

Таблица 4

Результаты наблюдений длины плоского диффузионного факела водяного газа

С Наименование Размер- Опыты

г©« X величин ность 1 2 3 4 5 6 i 7 '

1 Время экспозиции ..... сек 337,5 151,5 188,5 , 53 55 64 62

2 Расход газа ......... литр 5,92 5,42 6,52 5,7 5,51 5,14 5,02

3 Расход воздуха ....... 99 13,62 12,16 14,90 13,4 12,97 13,5 12,04

4 Коэффициент избытка воздуха — 0,91 0,89 0,91 0,93 0,93 0,93 0,952

5 Скорость 1 газа м 0,9 1.83 1,77 5,5 5,15 4,11 4,15

истечения ) возд. сек 0,94 0,87 1,84 5,9 5,5 4,38 4,52

6 Число Рейнольд- I газ 70,6 144 139 432 405 З'З 326

са I возд. 138 275 271 868 735 645 666

7 Длина наблюденного факела, мм 21 42 41 120 110. 99 101

Б. Расчет длины факела по уравнениям диффузии

Для факела светильного газа

Характеристический параметр решения дифференциального уравнения диффузии для горения светильного газа. По уравнению (14)

1 с'2 лаЛ. •

5 I

Здесь с2 = 0,21,

г =0,998, Сх = 0,799.

а — 0,1 см, s — 0,6 см,

2 \ icQ

По предыдущему для светильного газа ранее указанного состава

Co = Cl--j-il=: 0,799+-^- = 1,01 , ^ i ^ 0,998

Е-

3,14

/ 0,21 __0,1 \=0

\ 0,998.1,01 0,6 J '

,065 .

2 \ 0,998.1,01

Положительное значение Е показывает, что форма диффузионного факела—сходящаяся при х —0. Длина диффузионного факела в зависимости от скорости потока:

для тюх — 90 см1сек. По уравнению (14)

П=оо tf 1

Е— >— sin

V

¿mi П

П=1

та пкх

-—- cos ——

kn2 тг2 WS"

*

Расчет ведется относительно г при я—О, т. е. рассчитывается максимальная длина сходящегося факела. Ввиду быстрой сходимости ряда можно ограничиться первыми тремя членами ряда. Тогда

1 1 Q 14П 1 0,3.13(3.14?

0,065 = —. sin iA14'U)1 , 1. * »«W 1 , 1 0,6 ^

4- — . sin j-3»14-0»1 л . ^"Лгрда- , 2 0,6 ^

1 оо uní 0,3 3^3.14)3

J__L gin 1 ^ 90 ** '

3 0,6

ч ^ = 21,9 см.

т

Для — 150 сй\сек z2 = 36,5,

для ^з == 200 смIсек = 48,7.

Сравним наблюденные высоты с рассчитанными. Для трехщелевой горелки при скорости Wi— 0,9 м\сек отношение

z наблюденное 17,5 ло 1 г ,

cpi =---= —— = 0,8; при скорости w2 = 1,5 м/сек,

z рассчитанное 21,9

Ta=_i_=0,85 36,5

44

и при скорости гог= 2,0 м\сек, <р3 =-= 0,90.

48,7

Для семищелевой горелки при скорости щ= 0,9 м/сек отношение

19 33

cpj=-=0,87, при скорости ^ = 1,5 м/сек --=0,9

21,9 36,5

46 i

и при скорости ws = 2,0 м/сек <р3 =- =0,95 .

42,7

Указанные результаты дают основание утверждать, что семищелева® горелка дает более длинный факел, чем трехщелевая при одинаковых скоростях истечения и одинаковой ширине щелей и что это удлинение факела происходит, повидимому, не вследствие увеличения производительности горелки, а вследствие влияния соседних облекающих подвижных слоев.

Воспользуемся уравнениями П. Г. Иванцова, выведенными для процесса диффузии (9) для суждения о степени завершенности диффузии по наблюденным длинам диффузионного факела. Для большей наглядности и сопоставления данные, рассчитанные по методу П. Г. Иванцова, по методу Бурке и Шумана и наблюденные в опытах, представлены в табл. 5.

Для факела водяного газа

По методу, изложенному выше, рассчитана длина диффузионного факела водяного газа.

Характеристический параметр решения дифференциального уравнения диффузии по уравнению (14)

eL^lI h__Л).

2 \ ic9 s J

5. Изв. ТПИ, т. 70, в 1> > 65

Таблица 5

Степень завершенности диффузии во фронте пламени, рассчитанная по уравнению Иванцова (9) в соответствии с рассчитанными по Бурке ц Шуману н наблюденными длинами диффузионного факела. Горелка—плоская, трехщелевая; светильный газ.

к п я Наименование величин Обозначе- Скорость истечения газа и воздуха

ние и размерность 90 см\сек / 150 см[сек 200 см/сек

1 Длина диффузионного факела, рассчитанная по методу Бурке и Шумана ............... см 21,9 36,5 48,7

2 Длина диффузионногб факела по экспериментальным данным автора ................ см 17,5 31,0 44,0

3 Концентрация диффундирующего газа во фронте пламени по уравн. Иванцова при ........... а = 1,33 Ко-3,76 а = 0,1 см ^ = 0,6 см {Рл\ 0,359 0*305 0,271

4 Степень завершенности диффузии 0,78 0,84 0,88

¿2 = 0,21, ¿ = 0,61,

.,=0,874, £= 114(-_М'__2.«Л = _ 0,0471

1 2 \ 0,61.1,218 0,16/ €о — 1,218,

а — 0,05 см,

5 = 0,16 СМ.

Отрицательное значение для Е показывает, что форма факела расходящаяся и в уравнении (14) следует принять х=в.

коэффициент диффузии, вычисленный по обратной формуле смешения, равен /^=0,3 смЦсек. Результаты расчета длины диффузионного факела водяного газа для разных скоростей истечения приведены в табл. 6*

Таблица 6

Расчетная длина диффузионного факела водяного газа

Наименование величин • а, Опыты

с е Я Размс ность 1 2 3 4 5 6 7

1 Скорость 1 газа м < 1 0,9 1,83 1,77 5,5 5,15 4,11 4,15

• истечения 1 } возд. сек 0,94 1,87 1,84 5,9 5,5 4,38 4,52

2 Рассчитанная длина диффузионного факела .......... мм 23,3 47,5 45,8 142 133 106 №7

3 ] наблюден. Отношение: } длина

| рассчитан. ] длина 0,9 0,89 0,9 0,85 0,83 0,93 0,95

В. Исследование влияния предварительного подогрева газа и воздуха на длину диффузионного факела

Предварительный подогрев газа и воздуха влияет на развитие зионного процесса вследствие того что: а) объем газов увеличивается по закону бинома расширения vt—v0 (1+^0 и при том же сечении выхода

увеличивается также и скорость истечения Wt = zo0 j и

б) увеличивается коэффициент диффузии приблизительно по закону / Г Y1*75

Kt = Kl — \ . Согласно уравнениям диффузии (9,14) длина диффу-

° Kz зионного факела определяется из безразмерного комплекса - и из-

WS2

меняется пропорционально скорости истечения и обратно пропорциональ" но коэффициенту диффузии, поэтому совместное влияние обоих факто" ров будет определяться уравнением

\ f Г w0f Т0 Y

v т ' кп75 ) 7 L к { т )

>,75"

(31)

Из этого уравнения следует, что с увеличением температуры диффундирующих газов длина диффузионного факела уменьшается в отношении

/ т9 у*75

m •

Исследование влияния предварительного подогрева газа и воздуха на длину диффузионного факела производилось с помощью плоской трехще-левой горелки, описанной выше. Трубопроводы, подводящие газ и воздух к горелке, помещались в две трубчатые электропечи. Температура подогрева газа и воздуха, измеряемая при выходе их из горелки, была 220— 260°С. Результаты измерений и расчета по уравнению (14) длины диффузионного факела представлены в табл. 7.

; Таблица?

Результаты наблюдения и расчета Длины диффузионного факела плоской трехщелевой горелки при подогреве газа и воздуха до 220°С нмъ

1. Расход газа ——-—0,865

нас

нм?

2. Расход воздуха ------ — 4,32

час

3. Коэффициент избытка воздуха 1,33

4 о , газа ) 2,00 м

4. Скорость истечения при N7 1

5. Скорость истечения при 220°С

воздуха \ 2,00 сек газ 3,62

воздух 3,62

( К =0,3 смЦсек.

6. Коэффициенты диффузии j смЦсек.

{ Т0 \°>75

7. Отношение I ■ j . -у—= 0,644-668= 430

л _ наблюденная » 30 см

8. Длина диффузионного факела--= -=0.93

рассчитанная 32 см

Сравним результаты наблюденной и рассчитанной длины диффузионного факела при истечении „холодных* газа и воздуха и предварительно подогретых до 220°С. Из табл. 3 видно, что при скорости 200 см\сек наблюденная длина факела составляет 44 см, в данном случае—30 см; отно-

44 г— 30 Л оо гт *

сительное уменьшение длины----- = 0,32. При истечении „холодных*

44

газа и воздуха рассчитанная длина факела при той же скорости 48 см9. при истечении подогретых—32 см; относительное уменьшение длины

у_22

- ' — = 0,345. Из сопоставления величин, характеризующих рассчитанное и действительное относительное уменьшение длины диффузионного факела, можно сделать вывод, что, повидимому, увеличение коэффициента диффузии с повышением температуры происходит не пропорционально [ Т V'75

( у, » а в большей степени. Кстати отметить, что показатель степени обычно дается в справочниках в пределах от 1,5 до 2,0.

Г. Исследование влияния неодинаковых скоростей истечения газа и воздуха на длину диффузионного факела

Основным условием чисто диффузионного процесса является наличие только молекулярного переноса вещества, что возможно лишь при диффузии неподвижных газов или находящихся в состоянии ламинарного движения при одинаковых скоростях потока газа и воздуха. Основное уравнение диффузии выведено как раз для указанных условий. Представляет интерес выяснить, как влияет неравенство скоростей истечения на процесс диффузии. Опыты показывают, что если существует неравенство скоростей диффундирующих параллельных потоков, то процесс диффузии параллельных потоков и длина диффузионного факела изменяются: если скорость газа больше скорости воздуха, то длина диффузионного факела увеличивается, если скорость воздуха больше скорости газа, то длина диффузионного факела уменьшается.

В табл. 8 представлены результаты исследования влияния неодинаковых скоростей истечения газа и воздуха на длину факела при параллельном истечении газа и воздуха из трехщелевой плоской горелки.

Таблица 8

Результаты наблюдений длины диффузионного факела плоской трехщелевой горелки при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха

№ п.п. Наименование величин Размерность Скорость истечения см\сек Примечание

170 200 200 200 225 200 240 200 260 200 300 200

1 2 3 4 Расход газа .... Расход воздуха . . Коэффициент избытка воздуха . . . Длина диффузионного факела . . м* час м3 час С м 0,865 3,66 1,12 48,0 0,865 4.32 1.33 44,0 0,865 4,86 1,50 43,0 0,865 5,17 1,59 42,0 0,865 5,61 1,72 41,0 0,865 6,48 1,99 |40,0 Чисто диффузионное горение при скорости воздуха и газй равной 200 см/сек

Сделаем попытку рассчитать длину диффузионного факела при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха, но в пределах ламинарного режима. Примем следующие положения: когда факел является чисто диф-

wr

фузионным, т. е. когда -= 1, то форма* факела определяется знаком

w6 *

п я ( Сг &

для Е=— -—----1 ^ 0, величина - определяется в свою оче-

2 \ ic0 s ) s

т г S — CL

редь из уравнения а у0 =-; при постоянном значении а и s изме-

а

нение скорости воздушного и газового потоков будет влиять на а: при

увеличении —— будет уменьшаться а, и наоборот, при уменьшении

w6

WT

—— будет увеличиваться а, что видно из следующих соотношений;

W3

' Г, F* f Т7 ™вРв

а Г0 =-; но «То —

отсюда

fv wv pi

af w6 -v , w8

— —- или a — a ——

а т1 т1

при тв = а! — а.

Введем понятие об эквивалентной толщине слоя т. е. такой предполагаемой толщине слоя, при которой расход воздуха изменяется (вследствие изменения скорости истечения его), но при этом обеспечивается равенство

Значение эквивалентной толщины слоя я' можно определить из соотношения, получаемого на основании следующих рассуждений: вследствие того, что толщина газового слоя а остается неизменной, так же как и скорость истечения газа тг, но изменяется скорость истечения воздуха, будет изменяться коэффициент избытка воздуха.

При новом значении коэффициента избытка воздуха а', чтобы скорости истечения газа и воздуха были равными, величина —-— должна

5

быть определена из соотношения

5' — а -

a 'V* =

а

wu w6 _ s' — а

но а' — а-, следовательно, а - Vq —

w¿ wr а

тг s — a w6 s — a s' — a

так как a V0 =-— то .- .-==------

a wv а а

Отсюда

= (32)

<We = Wr

Sf =5,

Таблица 9

Расчетная длина диффузионного факела при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха; горелка плоская трехщелёвая

Скорость истечения газ см

в Наименование Обозначен. воздух сек

в % величин и размерность 200 200 200 200 200 200

170 200 225 240 260 300

\ Эквивалентная толщина мм 5,25 6,0 6,63 7,0 7,5 '8,5

2 Характеристический параметр ........ 2 \ щ s J 0,03 0,065 0,091 0,104 0,118 0,143

3 exponent CZ ..... ktf Z wr(sy 0,053 0,0412 0,0387 0,0302 0,0262 0,0205"

4 Длина диффузионного факела (расчетн.). t . см 53,8 48,7 47,5 47,0 46,5 44,0

5 Отношение Длина наблюден. Длина рассчитан. — -48'0 =0,89 53,8 44,0 --— =0,9 48,7 43'° —0,9 47,5 42,0 47,0 -°'89 41'° -0,88 46,5 44,0

Таким образом, из соотношения (32) можно определить значение эквивалентной толщины по действительным размерам плоскощелевой горелки и скоростям истечения газа и воздуха.

Введение понятия об эквивалентной толщине слоя позволяет воспользоваться для расчета длины диффузионного факела ранее выведенными

es а* о;;- о.$ 09 ю н о ¡з i(f te >:? ¿j

Рис. 7. Длина диффузионного факела при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха

уравнениями, ее пи в эти уравнения подставить значение эквивалентной толщины слоя s! и скорость истечения газа wr.

Ниже приведен расчет длины диффузионного факела для наблюденных случаев (табл. 8), расчетные величины представлены в табл. 9 и для сопоставления наблюденных и расчетных величин приведен график на ри£. 7.

ч

Д. Процесс горения и распределение температуры по длине диффузионого факела

Довольно распространенным является мнение о том, что процессы горения и тепловыделения по длине диффузионного факела равномерны, вследствие чего полагают, что и температура по длине диффузионного факела является более или менее постоянной. Для экспериментальной проверки такого рода предположений нами исследован частично химический состав продуктов горения и температура факела.

Для определения состава продуктов горения по длине факела плоская трехщелевая горелка помещалась в вертикальную шахту высотой 80 см% имеющую форму усеченного конуса и открытую вверху для свободного выхода продуктов горения. На боковой поверхности шахты сделаны два отверстия: нижнее на высоте 210 мм и верхнее на высоте 570 мм от устья горелки. Через эти два отверстия отсасывались пробы на анализ*, путем введения в факел тонкой фарфоровой трубки по вертикальной оей факела. Анализом определялось содержание в продуктах горения лйшь СО, 02 и С02 с помощью газоанализатора типа Орса. Данные газового анализа следует рассматривать как ориентировочные, так как полный газовый анализ не производился, хотя по содержанию 03 можно судить о степени завершенности горения, а по содержанию медленно горящей окиси углерода СО можно составить представление о полноте горения. Результаты газового анализа обработаны для следующих условий диффузионного горения: скорости истечения газа и воздуха из трехщелевой горелки равны 2 м\сек, что соответствует чисто диффузионному горению* теоре*

тическая длина факела (согласно табл. 5) равна 48,7 см, а действительная длина согласно табл. 3 равна 44 см; коэффициент избытка воздуха «=1,33. В табл. 10 приведены данные газового анализа для вышеуказанных условий диффузионного горения.

Таблица 10

Данные газового анализа по длине диффузионного факела

Составные части газа

Число объем, в газе

Число объем.из воздуха

Горюч, смесь

Число объем.

%

Продукты полного горения по расчету (без вод. пар.)

Чцсло объем.

%

Газов, анализ

Нижняя Верхняя проба проба

в %

в %

со2 7,4 7,4 1,20

о2 5,9 105,0 110,9 18,50

со 14,0 — 14,0 2,34

н2 37,0 — 37,0 6,17

сн4 27,5 — 27,5 4,56

СгН4 1,4 — 1,4 0,23

2 6,8 395,0 401,8 67,0

100

500

600

51,7 26,2

100

401,8

479,7

10,80 5,47

83,73

100

4,0 10,6

12,0 6>

2,5 0,2

— —

Для большей наглядности на рис. 8 построены линии и точки, характеризующие данные газового анализа; на оси абсцисс отложена теоретическая длина диффузионного факела равная 487 мм и точки отбора проб газа для анализа—на расстоянии 21 см и 57 см от устья горелки.

На оси ординат—% содержания газов по объему. Прямая штриховая линия 02 начинается на оси ординат с 18,5% (содержание кислорода в начальной смеси) и кончается на 5,47% (содержание кислорода в продуктах полного горения), при этом предполагается, что выгорание кислорода равномерное по длине факела. В нижней точке отбора газа обнаружено 12% кислорода (02)' вместо 12,8% и в верхней точке отбора 6,0% вместо ,5,47%. Вторая штриховая прямая линия С02 имеет координаты: вначале 1,2% (содержание С02 в исходной, смеси) и в конце 10,6% (содержание С02 в продуктах полного горения), при этом предполагается, что образование углекислого газа является равномерным по длине факела. В нижней точке отбора обнаружено 4°/0 С02 вместо 5,4°/о и-е верхней—10,6% вместо 10,8%- Третья штриховая линия СО имеет координаты: вначале 2,34°/о (содержание СО в исходной смеси) и в конце 0%. В нижней точке отбора обнаружено 2,5% вместо 1,4о/0 и в верхней—0,2% вместо 0%.

Хотя, как указывалось выше, результаты анализа не дают> возможности вполне отчетливо судить о развитии процесса горения по джине факела вследствие малого числа точек отбора проб газа и неполного газового анализа, но некоторое представление об этом все же можно составить. Так, можно считать, что практически процесс горения заканчивается на длине 570 мм, так как содержание СО—0,2%; можно без сомнения утверждать, что на этой длине в продуктах горения должны отсутствовать Н2 и СН41 так как Н2 имеет наибольший коэффициент диффузии и так как СН* в

процессе горения распадается на СО и Н2, которые и вступают в реакцию горения. Затем, можно также считать, что кислород убывает в факеле значительно быстрее, чем при развитии равномерного горения, вследствие того что в начальной стадии горения преимущественно и с большой скоростью выгорает водород по указанной выше причине; об этом же свидетельствует и анализ на С02—увеличение С02 происходит медленнее, чем ери предположительном равномерном горении. Ввиду того, что ука-

' [СО]" Да и на факела

10 ЛГ 20 £5 30 35 40 4б' 50 55

см.

21

отбор проШ

Ш Я? То орет От£ор длина ера- пробег А ело г

Рис. 8. Газовый анализ по длине диффузионного факела

ванные выводы являются предположительными и лишь частично подкрепленными настоящими опытами, возникает необходимость провести более тщательное исследование о выгорании индивидуальных газов из смеси по длине факела, что и выполнено в специальной работе о структуре пламени.

Измерение температуры по длине факела производилось 10 термопарами Р1—расположенными на штативе по высоте факела. Фиксирование показаний э.д.с. термопар производилось на одном гальванометре, к которому присоединялась общая панель с 10 контактами. Термопары вводились в факел пламени голыми (незащищенными) спаями. Несомненно, что голый спай оказывает каталитическое влияние на процесс горения, но мы считаем, что это влияние до известной степени компенсируется неточностью измерения действительной температуры другими способами.. С этой точки зрения является ценным указание Ленинградского научно - исследовательского теплотехнического института: „Несравненно удобнее для измерения температуры пламени голые термопары, которые благодаря малому коэффициенту излучения и малому диаметру, обеспечивающему хорошую +еплопередачу, дают температуру близкую* к истинной. В случае кратковременных замеров платиновые температуры могут служить довольно длительный промежуток времени без каких-либо изменений их свойств. При работе голый Р1—Р1КЬ термоэлемент после ряда изменений (10—15) в сильно восстановительной атмосфере и температурах до 1500°С не показал никаких изменений э.д.с. Проверочная градуировка, произведенная весьма тщательно, совпала с первоначальной с точностью до 0,02 ^у*. [15]. На сильное каталитическое влияние платины указывает В. Ф. Копытов: „При температурах выше 500°С платина является сильным катализатором для реакций горения и термопара не дает верных показаний"; поэтому В. Ф. Копытов при своих исследованиях горения газа производил измерения температуры №—№Сг термопарой [5]. Од-

/£00-

НОО

4000-

900

нако известно, что и эти металлы также каталитически влияют на процесс горения, хотя и в меньшей степени, чем платина.

В наших опытах по высоте факела термопары располагались в следующем порядке: нижняя термопара на расстоянии 5 мм от устья горелки, затем через каждые 45 мм и последняя 10 термопара на высоте 410 мм. Результаты измерений температуры факела представлены в табл. 11 при

следующих условиях опыта:

а) плоская трехщелевая горелка; скорости истечения газа и воздуха равны 200 см!сек, коэффициент избытка воздуха а — 1,33; газ и воздух холодные (без предварительного подогрева), теоретическая длина факела 48,7 еж, действительно замеренная длина 44 см;

б) плоская трехщелевая горелка; скорости истечения газа и воздуха равны 200см/сек, коэффициент избытка воздуха а = 1,33; газ и воздух предварительно подогреты до 220°С, теоретическая длина факела 32 сму действительно замеренная—30 см;

в) плоская семищелевая горелка, скорости истечения газа и воздуха равны 200см/сек, коэффициент избытка воздуха а =1,33; газ и воздух хо^ лодные, теоретическая длина факела 48,7см, действительно замеренная—46 см.

На рис. 9 изображены кривые распределения температуры по длине диффузионного факела, согласно данным табл.. 11.

. Т а б л и ц а 11

. Распределение температуры по длине диффузионного факела

Зоо

700

боо

мм.

SO 95 № тязошжо зеяш

Высота факела

Рис. 9. Кривые распределения температуры по длине дуффузионного факела

Ме течек замера Высота от устья горелку мм Распределение температуры °С

Опыт (а) трехщелевая горелка без подогрева С° Опыт (б) трехщелевая горелка с подогревом °С Опыт (в) семиыХелевая горелка без подогрева °С

1 5 530 630 810

2 50 790 930 1100

3 95 910 990 1210

4 140 1010 1200 1060

5 185 1050 1120 1020'

6 230 970 1080 1000

7 275 930 1040 950

$ 320 850 1020 900

9 365 720 1000 850

10 410 650 850 800

На основании данных, приведенных в табл. 11 и tía рис. 9, можно сделать-вфвод-ьг о том, что распределение температуры по длине факела не-

равномерное, максимум температуры находится приблизительно на расстоянии от одной трети до половины длины факела.

V, Опытное исследование диффузионного факела при сжигании водяного газа в экранированной топочной камере

А. Описание экспериментальной установки

Все ранее описанные опыты по исследованию диффузионного факела производились в условиях истечения факела в атмосферу; направление факела было вертикальным. Учитывая, что в производственных условиях направление факела преимущественно горизонтальное, для исследования плоского горизонтального факела была сконструирована опытная экранированная топочная камера. Размеры внутри топочной камеры: ширина 320 мм, высота 500 мм^ длина 2000 мм. По внутренним боковым сторонам камеры установлены 10 вертикальных плоских экранов, по 5 с каж-

Paspes 1-Х Раз oes Г-Г

Рис. 10. Чертеж экранированной топочной камеры

1—экраны; 2—плоскощелевая диффузионная горелка; 3—трубы, подводящие ■оду; 4—трубы, отводящие нагретую воду; 5—дымоход; 6—отверстия для забора проб газа на анализ; 7—отверстия для термопар,

дой стороны. Экраны выполнены из листовой стали, толщиной 2 мм; размеры экрана: ширина 65 мм, высота 465 мм и длина 400 мм. Чертеж экранированной топочной камеры представлен на рис. 10.

Каждый экран имеет самостоятельный подвод хололной воды из коллектора. Нагретая вода также отбирается из каждого экрана. На опытной установке производились следующие измерения: 1) температура холодной воды, поступающей в экраны; 2) температура нагретой воды, выходящей из экранов; измерение температуры воды производилось ртутными термометрами^) количество поступающей воды путем взвешивания; 4) температура в топочной камере; для этой цели установлены: на расстоянии 20 см от устья горелки Pt—PtRh термопары, затем три термопары Fe—Const нл

расстоянии 45 см одна от другой и у последнего пятого экрана—ртутный термометр. Для Pt—PtRh термопары—отдельный гальванометр и для 3 Fe*—Const термопар—общий гальванометр с переключателем; 5) забор проб саза для анализа; для этой цели в кладке топочной камеры между экранами заложены металлические трубки, через которые и производился отсос газа для анализа; по высоте камеры отсасывающие трубки располагались на половине высоты камеры в свету; 6) расход газа учитывался с помощью острой диафрагмы в газопроводе и диффманометра; 7) расход воздуха учитывался с помощью острой диафрагмы на воздухопроводе и диффманометра; воздух подавался в систему центробежным вентилятором.

Общая схема опытной установки с указанием мест измерений представлена на рис. 11.

Перед началом производства измерений устанавливается стационарный режим; подача воды в экраны регулируется так, чтобы в каждый экран поступало одинаковое количество, это достигается путем взвешивания воды и регулировкой соответствующих краников; затем включается отсасывающий вентилятор и подается в камеру газ, где поджигается и включается нагнетающий воздушный вентилятор. Соотношение между количеством воздуха и газа устанавливается заранее и регулируется вентилями. Начиная с того момента, как температура вытекающей из каждого экрана воды устанавливается неизменной, производится запись всех измеренных величин.

Б. Результаты исследования диффузионного факела водяного газа в экранированной топочной камере

На опытной установке были гыполнены две серии опытов в соответствии с поставленными задачами: первая серия опытов—при одинаковых скоростях истечения газа и воздуха от 0,973 м/сек до 2,08 м/сек и вторая серия опытов—при неодинаковых скоростях истечения газа и вцздуха. В каждой серии опытов выполнено по 7 полных испытаний.

Для организации диффузионного факела применялась плоская семище-левая горелка, имеющая следующие размеры: внутренняя газовая щель шириной 2 мм, затем две щели, облекающие внутреннюю, размерами по ширине 7,5 мм каждая, затем 2 газовые ¡щели шириной по 2 мм каждая и наконец две наружные воздушные щели шириной по 3,75 мм каждая. Общая ширина воздушно-газового потока 3,75 + 2 + 7,5 + 2 + 7,5 + 2 + + 3,75— 28,5 мм; длина щелей 60 мм. Поперечное сечение газовых щелей 3.0, 002.0,060 — О, 00036 мг\ поперечное сечение воздушных щелей 2.0,00375. 0,060 + 2.0,С075.0,060 = 0,00135 м\

При равенстве скоростей истечения газа и воздуха соотношение между количествами их определится из уравнения

* г.щ.

Здесь Ре.щ.— 0,00135 м2. Рг.щ. = 0,00036

У0 =2,5 мъ\м% — теоретически необходимое количество воздуха для сжигания водяного газа,

отсюда

0,00135 , с — 1,5.

2,5-0,00036

Рис.

11. Общий вид экранированной топочной камеры.

^гальванометр для Р.-Р, ш,

диффузионная горелка; 9 - экраны; Ю-лиафрагма и-, гаТпроваде;'Подводы^Г/эк^нам^Ь8~ПЛ0СК0-ЩеЛеВаЯ

измерения температуры воды; 13-места отбора газа "а анализ Р ' 12 " "Реометры для

Сборники воды и весы на чертеже не показаны.

Результаты исследования диффузионного горения водяного'газа в экранированной камере. Серия I. При одинаковых скоростях истечения газа и воздуха

Расход я и н 3 Скорость истечения Распределение температуры по длине факела на расстоянии от ус1ья горелки Расход воды и подъем температуры ее в экранах s КС Анализ продуктов горения в дымоходе

газ ВОЗ- дух \о т К н к <и Я" я •в" •В" газ воз- Дух 20 65 110 155 200 I и 11 экраны III экран IV и V экраны о « t=C О X

и о н 3 с JW3 м3 м м ем см см см см В дымоходе расход литр Д f расход литр Д t° расход литр Д Г о СЗ з о Й X я О <=s С02 И СО % О. %

г час час СП о Ж сек сек °С °С °С °С °С час час час

1 1/26 4,76 1,51 0,975 0,98 730 550 440 325 150 80 25,0 70 15 30 30 25 70 10,6 0,1 7,00

2 ' 1,60 6,00 1,50 1,24 1,23 800 690 510 420 190 165 27,0 80 14,8 35 31 28 75,8 10,7 0,0 7,10

3 1,78 6,65 | 1,49 1,37 1,35 8 0 720 600 46 5 200 118 30,0 82 18 39 36 29 84,0 10,6 0,1 7,15

4 1,98 7,30 | 1,48 1ДЧ 1,50 960 690 580 440 190 115 61,0' 50 15 50 31 29 107 10,6 0,1 7,20

5 2,18 8.25- 1,51 1,68 1,70 820 670 56) 450 200 115 62,0 50 15 59 32 30 109 10,7 0,0 7,00

6 2,52 9,50 1,50 1,94 1,95 750 840 700 515 260" 130 60,0 62 18 70 25 35 103 10,55 0,1 7,1

7 2,70 10,0 1,49 2,08 2,06 740 860 730 1 535 270 140 65 ' 55 19 80 26 36 110 10,55 0,1 7,2

В экранированной топочной камере сжигался водяной газ, получаемый в газогенераторах при газификации Араличевского каменного угля; состав сухого водяного газа следующий: С02 — 4%, СО — 30,5%, Н2 — — 53,4%, СН4 — 5,2% и N3 — 6,9%. Теоретически необходимое количество воздуха 1/0 = 2,5 При избытке воздуха а =1,5 состав продуктов го-

рения должен быть следующий: С02—10,7%, 02 —7,1%, Ы2 —82%.

Для расчета теоретической длины диффузионного факела необходимо знать коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии вычислен равным

¿ = 0,3 см2/сек.

В табл. 12 представлены результаты 1-й серии испытания, т. е. при одинаковых скоростях истечения газа й воздуха.

Из данных табл. 12 видно, что сгорание газа в камере происходит почти полностью, так как содержание СО в отходящих газах незначительное; по мере увеличения скорости истечения газа и воздуха удлиняется диффузионный факел и смещается зона высоких температур по длине факела.

В табл. 13 приведен тепловой баланс экранированной топочной камеры, полученный в этой же серии испытаний.

Таблица 13

Тепловой баланс экранированной топочной камеры диффузионного горения.

Серия 1

Тепло нагревания воды в экранах Тепло уходящих газов Тепло горения газов Невязка баланса (потери)

« I и II III IV и V Всего объем прод. горения м* час

о н 3 с ккал ккал ккал ккал ккал ккал ккал И %

о час час час час час час час

1 1750 450 750 2950 150 5,45 3400 300 8,8

2 2160 523 950 3630 232 6,90 4320 458 10,5

3 2460 700 ' 1050 4210 290 7,70 4800 300 6,3

4 3050 750 900 4700 324 8,56 5450 426 7,8

5 3100 885 960 4945 348 9,42 5900 607 10,1

6 3720 1260 880 5860 452 10,9 6900 588 8,5

7 3575 1520 936 6031 540 11,7 7280 709 9,2

Из данных теплового баланса видно, что по мере удлинения диффузионного факела и смещения зоны более высоких температур увеличивается тепловая напряженность среднего III экрана; так, если тепловую напряженность последнего V экрана принять за единицу, то тепловая напряженность среднего III экрана характеризуется такими соотношениями {от первого опыта к последнему)

1,2 1,09 1,3 1,67 1,83 2,86 3,25 1 ; 1 ; 1 ; 1 ; 1 5 1 ; 1 '

Вторая серия опытов по исследованию диффузионного факела водяного газа в экранированной топочной камере была выполнена при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха. Скорости истечения газа изменялись от 0,973 м\сек до 2,08 м/сек и скорости истечения воздуха

м л

от 0,715——до 1,42 - соответственно. Конструкция горелки преж-

сек сек

няя, плоская семищелевая.

Результаты исследования диффузионного горения водяного газа в экранированной топочной камере. Серия II — при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха

№ опытов | Р газ асход воздух Скорость истечения Распределение температуры по длине факела на расстоянии от устья горелки Расход воды п повышение температуры ее в экранах Общий расход воды литр Анализ-продуктов горения в дымоходе

Л» час м* час Коэф. избытка воздуха газ воз-Дух 20 см ' 65 см 110 см 155 ей 200 ! см В дымоходе I и II экраны III экран IV и V экраны С02 % СО % о2 %

м сек м сек литр 1 Д f литр, час Д t° литр Д f

°С °С °С °С °С час час час

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 ю ' 11 12 13 14 . 15 16 17 18 19 20 21 22

1 1,26 3,47 1,10 0,973 0,715 400 800 510 355 102 53 24 61 12,6 27,5 24,7 22 60,9 11,3 0,5 1,62

2 1,54 4,26 1,П 1,18 0,88 410 820 590 465 200 63 35 70 15,8 31,5 28,9 25 79,7 11,5 0,4 1,60

3 1,78 4,95 1,11 1,37 1,02 600 850 600 440 232 110 86 " 35 44 15 40 15 170 11,0 0,8 1,7

4 1,97 5,50 1,12 1,52 1,13 690 880 632 470 <30 115 90 38 50 17 40 15 180 И,2 0,6 1,65

5 2,18 6,00 1,10 1,68 1,23 700 820 654 490 210 120 90 38 60 17 50 15 200 П,1 0,7 1,69

6 2,34 6,55 1,12 1,80 1,35 700 830 678 510 220 116 90 40 60 20 50 18 200 11,8 0,2 1,59

7 2,54 6,90 1,08 1,96 1,42 730 850 710 520 150 112 93 41 61 21 50 19 204 11,25 0,55 1,60

При проведении этой серии испытаний было желательно выявить влияние неодинаковых скоростей истечения газа и воздуха на распределение температуры в экранированной топочной камере и на длину диффузионного факела. Методика измерений применялась та же, что и при выполнении I серии опытов.

В табл. 14 представлены результаты II серии испытаний. При избытке воздуха а =1,1 состав продуктов горения должен быть следующий: СН2—11,9%, Оа—1,57% и N2-65,5%.

В табл. 15 приведен тепловой баланс для II серии опытов.

Таблица 15

Тепловой баланс экранированной топочной камеры диффузионного горения.

Серия И

Я о и Тепло нагревания воды в экранах Тепло уходящих газов Тепло горения газа Невязка баланса (теплопотери)

I и II III IV и V Всего объем м?

3 с о ккал ккал ккал ккал ккал ккал ккал НИ

% час час час час час час час час

1 1470 346 542 2358 4,2 74 3400 168 4,%

2 2450 500 722 3672 5,1 106 4150 378 9,10

3 3000 660 600 4260 5,9 214 4800 326 6,9

4 3420 850 600 4870 6,55 250 5320 ' 200 3,8

5 3420 1020 750 5190 7,25 286 5900 424 7,2

6 3£00 1200 900 57ьО 7,8 300 6320 320 5,1

7 3820 1280 949 6049 8,45 312 % 6850 489 7,1

В. Расчеты длины диффузионного факела водяного газа

А. Для I серии опытов — при истечении газа и воздуха с одинаковыми скоростями характеристический параметр решения дифференциально-го уравнения диффузии *

Здесь С2 = 0,21, г ~ 0,587.

Метод расчета величины I указан ранее на стр. 62 сх = 0,891,

с0 = €х + ^ = 0,891+-0,21-= 1,249, I 0,587

а = 0,1 см,

5 = 0,375 см,

2 \ 0,587.1,249 0,375/

из уравнения (14)

„ \л 1 . пъа Е— > — эт-

ПЪХ "Ш52

соэ-е

п

при х~0 (так как £ имеет положительное значение) находим: м

для -0^=0,98-

ь

для го2 = 1,23 для -- 1,36 для чюк = 1,53 -для еть —■ 1.68 для ге>6 = 1,94 для 2,08 ■

сек м

сек м

сек м

сек м

сек м

сек м

сек

гх — 14 см; г2 = 18,2 см;

19,7 см; гк = 22,8 см; г5 — 25,0 см ;

= 29,0 см ; гп = 31,0 см.

Б, Для II серии опытов —при истечении газа и воздуха с неодинаковыми скорос-тями.

Расчет длины факела произведен по } равнению (14) и эквивалентная толщина слоя 5' по формуле (32); результаты расчета приведены в табл. 16

Таблица 16

Дднна диффузионного факела водяного газа при неодинаковых скоростях истечения газа и воздуха, горелка плоская семищелевая

Скорость истечения газа/воздуха см/сек

№ п.п. Наименование величин Обозначение и 97,о И8 137 152 168 180 196

размерность 71,5 ~88~ 102 113 723 Т35 142

1 Эквивалентная толщина слоя .....: . . см 0,31 0,305 0,305 0,305 0,302 0,306 0,299

2 Характеристический параметр Л...... Е 0,565 0,066 0,066 0,066 0,706 0,645 0,767

3 Длина диффузионного факела при х К ~0,3 см2¡сек

1Юг юаг г см 8,9 9,7 11,6 12,5 13,0 14,8 14,9

VI. Выводы

В настоящей работе рассмотрены физико-математические теории диффузионного факела и подробно выявлены условия применимости их к исследованию процессов диффузионного горения. Ряд конкретных цифровых

б. ТЛИ, т. 70, в. 1.

81

решений наглядно показывает характер затруднений, возникающих при практическом пользовании математическим аппаратом теории диффузии и необходимость тех или иных упрощающих допущений; однако, несмотря на эти затруднения и допущения, должен быть сделан вывод о том, что предварительный расчет диффузионного факела необходим и вполне возможен, так как действительно наблюдаемые в опытах величины не столь уж резко отличаются от теоретически рассчитанных.

Строгое соблюдение условий чисто диффузионного горения в практике вряд ли возможно, в частности трудным является соблюдение принципа одинаковых скоростей истечения газа и возцуха, поэтому автором этой работы введено понятие об эквивалентной толщине диффузионного слоя и дано математическое выражение ее через действительные размеры диффундирующих слоев. Это позволяет использовать с достаточной степенью надежности математический аппарат теории диффузии при исследовании диффузионных потоков с неодинаковыми скоростями истечения.

Выполненные автором обширные опытные исследования диффузионного горения светильного и водяного промышленных газов в различных условиях, хотя и не отличаются большой точностью,, но являются наиболее разносторонними по сравнению с экспериментальными исследованиями других авторов (кстати отметить, что число экспериментальных работ в этой области очень мало).

В выполненных автором экспериментальных исследованиях производились наблюдения:

1) влияние скорости истечения на длину диффузионного плоско-парал-* лельного и концентрического факела;

2) влияние неодинаковых скоростей истечения газа и воздуха на длину диффузионного плоско-параллельного факела;

3) влияние температуры подогрева газа и воздуха на длину диффузионного факела;

4) распределение температуры по длине диффузионного факела;

5) неполный анализ продуктов горения по длине диффузионного факела;

6) диффузионный факел в экранированной топочной камере (температура, теплоотдача, тепловой баланс).

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Г л инков М. А. и Калошин Н. А. — Уральская металлургия 1, 1940.

2. Иванцов Г. П. — Сборник работ Стальпроекта, 1936.

3. Казакевич Ф. П. иДюндин Н. П. — Теория и практика металлургии, S — 6, 1940.

4. Китайгородский И. И. — Технология стекла, т. 1, 1939.

5. Копытов В. Ф. — Материалы по экономии топлива в печах, Труды ЦНИИМАШ, <83, 19«.

6. Копытов В. Ф. и Иванов В. К. — Домез, 6, 1935.

7. Ляховский Д. Н. — Советское котлотурбостроение, 4, 1940.

8. Ляховский Д. Н. и Сыркин С Н. — Советское котлотурбостроение, 9, 1936.

У, Махов Н. С.— Советская металлургия 8 — 9, 1934.

10. Махов Н. С. — Труды Днепропетровского металлургического института,4,1940.

11. Норкин H. Н. — Известия Томского политехнического института, т. 64, 1948.

12. П о д г у р с к и й Л. В. — Теория и практика металлургии, -Ï, 19-iÖ. .

13. Сычев Н. И. — Сборник Уральского отделения ВТИ, 5, 1940

14 Тимофеев В. Н. и Сычев П. И.—Сборник Уральского отделения ВТИ, 19 0.

15. Труды Ленинградского научно-исследовательского теплотехнического института ■3, 1932.

16. Шпиль рей н Я- Н. — Таблицы специальных функций, 1, 1933.

17. Burke S., Schuman G. Ind. a.Eng. Chem.,20,1928.

18. Гребер Г. и Эрк С.—Основы учения о теплообмене, 1936

19. Hepburn W. Steel, 91, 193я

20. Пи сто р Р. - Реф. Советская метталлургия, 1, 1932.

21. Rummel К. Arch. f. d. Eisenhüttenwesen, 1937.